[신기술] KAIST, 나노 물방울 측정 기술 개발정 기술 개발

AFM으로 나노 물방울 실시간 관찰·접촉각 정밀 측정

젖음성 나노 스케일 직접 관측으로 물 계면 분석 한계 극복

수소 생산 촉매에서는 물방울이 표면에서 잘 떨어져야 기포가 막히지 않고 수소를 더 빠르게 만들 수 있다. 반도체 제조에서도 물이나 액체가 표면에 얼마나 고르게 퍼지는지, 또는 얼마나 빨리 마르는지가 공정 품질을 좌우한다.

이처럼 물이나 액체가 표면 위에서 퍼지고 움직이는 특성을 ‘젖음성’이라고 한다. 그러나 젖음성을 나노 크기에서 직접 관찰하는 것은 지금까지 기술적 한계로 인해 거의 불가능했으며, 이로 인해 대부분의 연구자들은 주로 추측에 의존해 왔다.

그림 1. 비접촉모드를 활용한 나노 스케일 물방울 영상화

이 한계를 극복하기 위해 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀과 서울대학교(총장 유홍림) 임종우 교수 연구팀은 공동으로 나노 크기의 물방울을 직접 관측할 수 있는 기술을 개발했다. 해당 기술은 원자간력 현미경(AFM)을 이용해 나노 크기의 물방울을 실시간으로 관찰하고 접촉각을 계산할 수 있는 것이 특징이다.

이번 연구로 나노 물방울의 실제 모습을 눈으로 확인할 수 있게 되면서, 물방울이 표면에 얼마나 잘 붙고 떨어지는지를 정밀하게 분석할 수 있게 됐다. 이는 수소 생산 촉매, 연료전지, 배터리, 반도체 공정처럼 액체의 움직임이 성능을 결정하는 여러 첨단 기술에 즉시 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 최근 젖음성 분석 기술은 나노 크기에서의 정밀 측정이 중요해지고 있다. 기존 방식에서는 수 밀리미터(㎜) 크기의 큰 물방울을 이용해, 친수성과 소수성 여부를 평가해 왔다. 그러나 나노 크기에서는 물방울이 너무 작아 그 형태를 직접 관찰하기 어려웠다. 연구팀은 공기 중 수증기가 얼지 않은 온도로 표면을 부드럽게 냉각해 자연스럽게 나노 물방울이 맺히도록 유도했다. 이어 AFM의 비접촉 모드를 활용해 나노 물방울을 관찰함으로써 탐침 접촉 없이 물방울의 원래 형태를 그대로 촬영하는 데 성공했다. 나노 물방울은 민감해 탐침이 닿기만 해도 변형되기 때문에 정밀한 제어가 필수적이다.

이 기술을 강유전체 물질인 리튬탄탈레이트(LiTaO₃)에 적용한 결과, 물질의 전기적 방향인 분극에 따라 나노 물방울의 접촉각이 달라진다는 사실이 처음으로 확인됐다. 이는 큰 물방울에서는 관찰되지 않던 현상으로, 나노 물방울이 표면의 전기적 상태에 매우 민감하게 반응한다는 점을 보여준다. 아울러 수소 생산을 돕는 수전해 촉매(NiFeLDH)에도 이 기술을 적용해 단일 나노 물방울을 관찰했다. 이를 통해 촉매 표면에서 물이 어떻게 반응하는지를 보다 정밀하게 분석할 수 있게 됐으며, 특히 촉매 성능을 분석하는 데에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

홍승범 교수는 “이번 연구는 AFM으로 나노 크기의 물방울을 직접 보고 접촉각까지 측정할 수 있음을 보여준 중요한 사례”라며 “차세대 에너지·전자 소재 개발을 위한 핵심 분석 기술로 자리 잡을 것”이라고 말했다.

그림 2. 서브마이크론 크기의 수전해 촉매인 LiFeLDH 입자 위에 형성된 단일 물방울 영상화

정의창 KAIST 신소재공학과 박사과정 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구는 미국화학학회(ACS)에서 발간하는 학술지인 『ACS 응용소재 및 인터페이스(ACS Applied Materials and Interfaces)』에 ‘강유전체 소재 위 물방울의 나노 크기 시각화 및 접촉각 분석(Nanoscale Visualization and Contact Angle Analysis of Water Droplets on Ferroelectric Materials)’이라는 제목으로 출판됐다.

아울러 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 

[『워터저널』 2026년 1월호에 게재]